新發(fā)現(xiàn)：氧還原催化劑進(jìn)展更高的功率密度與穩(wěn)定性

大氣網(wǎng)訊:催化劑材料在多數(shù)的電化學(xué)能源轉(zhuǎn)化裝置中都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，為高效的能量轉(zhuǎn)化保駕護(hù)航。大氣中無處不在的氧氣是一類常見的氧化劑，因此氧還原反應(yīng)（oxygen reduction reaction，ORR）在能源設(shè)備中的應(yīng)用極為廣泛，如燃料電池、金屬-空氣電池等。目前，最常用的ORR催化劑依舊是Pt基催化劑。然而，其昂貴的價格(US$ 28.3 g-1as the 2018 average price)與稀有性(37 ppb in Earth’s crust)，以及在反應(yīng)環(huán)境中的不穩(wěn)定性，都促使相關(guān)領(lǐng)域的研究學(xué)者努力尋找更合適的非貴金屬類催化劑作為Pt基催化劑的替代品。其中，金屬-N/C類催化劑材料在近十幾年來得到廣泛研究，被認(rèn)為是最有希望替代貴金屬的催化劑材料。但是這類相關(guān)材料的合成成本高、不穩(wěn)定易失活及活性位點少的問題始終困擾著其實際應(yīng)用。金屬氮化物作為一種常見的金屬間隙化合物，由于自身特殊的電子結(jié)構(gòu)和類金屬性質(zhì)，具有優(yōu)異的電子傳導(dǎo)能力。其耐腐蝕性、熱穩(wěn)定性與電化學(xué)穩(wěn)定性都使得該類材料在電化學(xué)催化領(lǐng)域中具有極大的應(yīng)用潛力。

中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員楊明輝及其科研團(tuán)隊多年來致力于金屬氮化物的研究及其包括電催化方向在內(nèi)的多功能應(yīng)用。楊明輝早在2011年初就發(fā)現(xiàn)一種簡單的固固分離法合成大比表面積介孔金屬氮化物材料。此類介孔氮化物具有≤100m-1/g的較高比表面積，且不同于一般的塊體氮化物材料，在化學(xué)性質(zhì)尤其是作為催化劑的性質(zhì)上具有突出性能。近幾年來，其科研團(tuán)隊已經(jīng)對納米二元氮化物（TMN）（TM = Cr，Ti，V，Nb，Ta，W and Mo）和三元氮化物（TiCrN2，TiNbN2，Co3ZnN and Ni3ZnN）等做了系統(tǒng)的研究，并發(fā)表多篇SCI學(xué)術(shù)文章。在近期的研究中，楊明輝帶領(lǐng)團(tuán)隊采用urea-glass法制備出了一種氮化鋯（ZrN）納米顆粒催化劑，其可以替代甚至超過Pt基催化劑作為堿性環(huán)境中ORR催化劑。實驗發(fā)現(xiàn)，合成后的ZrN納米顆粒（NPs）具有高的ORR性能，且具有與廣泛使用的Pt/C商業(yè)催化劑相當(dāng)?shù)幕钚?。?.1M的KOH溶液中，ZrN NPs和商用Pt/C具有相同的半波電勢（E1/2=0.80V），經(jīng)過在1000個循環(huán)后，ZrN（ΔE1/2=-3mV）顯示出比商用Pt/C催化劑（ΔE1/2=-39mV）更高的穩(wěn)定性。此外，在鋅-空氣電池中，ZrN顯示出比商用Pt/C催化劑更高的功率密度與穩(wěn)定性。用ZrN代替Pt可降低成本并促進(jìn)電化學(xué)能源設(shè)備的使用，并且ZrN在其它催化系統(tǒng)也具有潛在的應(yīng)用，相關(guān)研究成果發(fā)布在《自然-材料》（Nature Materails）中。

ZrN納米顆粒的基本表征

ZrN納米顆粒與商用Pt/C催化劑在堿性環(huán)境中的ORR性能對比

原標(biāo)題:寧波材料所在氧還原催化劑方面取得進(jìn)展